ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ
УДК 537.525
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И СОСТАВ ПЛАЗМЫ В СМЕСЯХ HCl-Cl2 © 2012 г. А. М. Ефремов, А. В. Юдина, В. И. Светцов
ФГБОУВПО "Ивановский государственный химико-технологический университет"
E-mail: efremov@isuct.ru Поступила в редакцию 31.01.2012 г.
Проведено исследование влияния начального состава смеси HCl—Cl2 на стационарные параметры и состав плазмы тлеющего разряда постоянного тока (p = 40—200 Па, ip = 15—35 мА). Получены расчетные данные по энергетическим распределениям электронов, интегральным характеристикам электронного газа и составу плазмы. Показано, что характер влияния начального состава смеси на концентрации заряженных частиц определяется доминирующим механизмом их гибели при данном давлении газа. Установлено, что при содержании 0—20% Cl2 состав нейтральных частиц плазмы HCl—Cl2 в значительной степени формируется атомно-молекулярными процессами.
ВВЕДЕНИЕ
Низкотемпературная газоразрядная плазма га-логенводородов HX (X = Cl, Br, I) нашла применение в технологии микро- и наноэлектроники при проведении процессов очистки и размерного травления поверхности полупроводниковых пластин и функциональных слоев интегральных микросхем [1—3]. Очевидными преимуществами HCl по сравнению с другими хлорсодержащими газами (BCl3, CCl4, Cl2) являются отсутствие высаживания твердых продуктов плазмохимических реакций на поверхностях, контактирующих с плазмой, и низкие концентрации атомов хлора [4, 5], что обеспечивает лучшие показатели анизотропии и селективности процесса при незначительной потере в скорости.
В последнее время в технологии плазменного травления большое распространение получили бинарные (двухкомпонентные) газовые смеси, в которых активный газ разбавляется благородной (Ar, He) или молекулярной добавкой. Достигаемые при этом технологические эффекты заключаются в стабилизации плазмы, особенно в области низких давлений, защите откачных средств и повышении экологической чистоты производства за счет снижения токсичных компонентов в отходящих газах плазмохимических установок, а также в возможности гибкого регулирования параметрами плазмы, концентрацией активных частиц и, как следствие, конечным эффектом обработки материала при изменении начального состава плазмообразующей смеси. Например, было показано, что Ar и He в смесях с Cl2 [6], BCl3 [7] или HCl [3] не являются инертными разбавителями, а оказывают влияние на кинетику плазмохи-мических процессов через изменение электрофизических параметров плазмы. Известно также,
что состав нейтральных частиц плазмы HCl формируется при заметном вкладе атомно-молеку-лярных реакций с участием Cl2 и H2 [3]. Поэтому можно ожидать, что в бинарных смесях HCl c Cl2 и H2 возможно достижение принципиально иных по сравнению с системой HCl—Ar эффектов влияния начального состава смеси на стационарные параметры и состав плазмы.
Целью данной работы являлся модельный анализ влияния начального состава смесей HCl—Cl2 на стационарные параметры плазмы и концентрации нейтральных и заряженных частиц в условиях тлеющего разряда постоянного тока.
МЕТОДИКА
Экспериментальная установка и методика экспериментов. Экспериментальные исследования параметров плазмы в смесях НС1—С12 переменного состава проводились в стеклянном цилиндрическом проточном реакторе (радиус г = 0.9 см, длина зоны разряда I = 40 см) при возбуждении тлеющего разряда постоянного тока. В качестве внешних (задаваемых) параметров разряда выступали ток разряда (¡р = 15—35 мА), давление газа (р = = 40—200 Па) и расход газа (# = 2 см3/с при нормальных условиях). Температура нейтральных частиц Т рассчитывалась при решении уравнения теплового баланса реактора для условий конвективного теплообмена с окружающей средой [8] с использованием экспериментально определенной температуры наружной стенки. Зондовая диагностика (двойной зонд Лангмюра) обеспечивала данные по осевой напряженности электрического поля в зоне положительного столба разряда Е. При определении приведенной напряженности поля Е/Ы N = р/квТ — общая концентрация
частиц в реакторе) и при моделировании разряда проводилось усреднение температуры и концентраций частиц на 0.5г по заданным профилям радиального распределения этих параметров.
Моделирование плазмы. Моделирование плазмы проводилось в пятикомпонентном (HCl/H/Cl/H2/Cl2) приближении по нейтральным невозбужденным частицам. Алгоритм моделирования базировался на совместном решении следующих уравнений: 1) стационарного кинетического уравнения Больцмана, 2) уравнения электропроводности плазмы, 3) уравнений химической кинетики невозбужденных нейтральных и заряженных частиц в квазистационарном приближении, 4) уравнения химической кинетики HClV = 1 в квазистационарном приближении и 5) уравнений квазинейтральности для объемных концентраций заряженных частиц и равенства плотностей их потоков на поверхность, ограничивающую объем плазмы. Подробное описание алгоритма моделирования и кинетическая схема процессов приведены в работах [9-11].
В качестве входных параметров выступали сечения процессов под действием электронного удара [12, 13], константы скоростей атомно-моле-кулярных реакций [14-16], вероятности гетерогенной рекомбинации атомов [12], геометрические размеры реактора, начальный состав смеси, ток разряда и температура газа. Выходными параметрами служили стационарные значения приведенной напряженности поля E/N, функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), интегральные характеристики электронного газа (средняя энергия, скорость дрейфа, приведенные коэффициент диффузии и подвижность), константы скоростей элементарных процессов, а также средние по объему плазмы концентрации частиц и их потоки на поверхность.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Электрофизические параметры плазмы. Увеличение содержания Cl2 в смеси с HCl от 0 до 90% приводит к монотонному росту E/N (рис. 1), при этом диапазон изменения E/N несколько увеличивается с ростом давления газа (3.61 х 10-15—3.96 х х 10-15 В см2 при p = 40 Па и 2.49 х 10—15-3.20 х х 10-15 В см2 при p = 200 Па и ip = 25 мА). Это связано с ростом частоты прилипания vda = k1nHCi + + k2ncu (где R1: HCl + e ^ Cl- + H и R2: Cl2 + e ^ ^ Cl- + Cl) в области высоких давлений и снижением частоты ионизации viz = k3nHCl + k4nCl2 (где
R3: HCl + e ^ HCl+ + 2e и R4: Cl2 + e ^ Cl + + 2e) в области низких давлений. Удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных величин E/N в чистых газах позволяет ожидать адекватное описание кинетики плазмохимических процессов в смеси HCl-Cl2.
E/N, 10-15 В см2 4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
i...............
----- 1
■2 .... .............. f
0.2 0.4 0.6 0.8 Доля Cl2 в смеси HCl/Cl2
1.0
Рис. 1. Приведенная напряженность электрического поля в смесях НС1—С12 при 1р = 25 мА: 1 — р = 40 Па,
2 — 100, 3 — 200, точки — эксперимент, кривые — расчет.
В области высоких давлений (p > 100-120 Па) и низких E/N основной вклад в формирование
ФРЭЭ вносят низкопороговые процессы. Увеличение доли Cl2 в исходной смеси HCl-Cl2 приводит к резкому снижению суммарных потерь энергии на колебательное и вращательное возбуждение и сопровождается обогащением ФРЭЭ высоко-энергетичными электронами в области б < 3-4 эВ
(рис. 2). Тем не менее средняя энергия электронов
(е) и скорости их дрейфа ve монотонно снижаются (табл. 1). Причина этого эффекта заключается в том, что снижение потерь энергии на электронное возбуждение (включая диссоциацию) молекул HCl с избытком компенсируется аналогичными процессами для Cl2 из-за низких пороговых энергий и высоких сечений последних [13, 16].
Это вызывает широкий "провал" в средней части
ФРЭЭ вплоть до 12-13 эВ, однако при е > 15 эВ ситуация меняется на противоположную. В результате поведению параметра (е) следуют константы скоростей только тех процессов, максимумы сечений которых лежат в области 4-15 эВ. В частности, это условие не распространяется на процессы ионизации, константы скоростей которых с ростом доли Cl2 в смеси увеличиваются (k3 =
= 1.28 х 1010—1.53 х 10-10 см3/с и k4 = 2.30 х 10-10-
2.40 х 10-10 см3/с при 0-90% Cl2, p = 200 Па и ip = = 25 мА). В области низких давлений (p < 50-60 Па) и высоких E/N заметный вклад в формирование ФРЭЭ вносят высокопороговые (eth > 6-7 эВ) процессы, в том числе - ионизация. Более высокие потери энергии на возбуждение высоколе-жащих электронных состояний и ионизацию Cl2 обедняют "хвост" ФРЭЭ быстрыми электронами, что приводит к снижению констант скоростей ионизации компонентов смеси (k3 = 5.50 х
0
/(б), эВ—3/2
10
10
10
Частота процесса, 106 с 1 5
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
б, эВ
Доля энергии
0.01 :
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Доля С12 в смеси НС1/С12
Рис. 2. Энергетическое распределение электронов (а) и доли энергии (б), расходуемые в процессах электронного удара в смесях НС1—С12 при р = 25 мА, р = 40,
200 Па: (а) 1 - чистый HCl, 2
2 "p — 50% Cl2
3 - 90% Cl2
1
2 3
2
0
1.0
(б) 1 — ионизация, 2 — диссоциация, 3 — колебательное возбуждение HCl (сплошные кривые) и Cl2 (штриховые) при p = 100 Па.
х 10-10-4.90 х 10-10 см3/с и k4 = 8.72 х 10-10-7.30 х х 10-10 см3/с при 0-90% Cl2, p = 40 Па и ip = 25 мА). Отметим также, что низкие потери энергии на ионизацию позволяют в первом приближении пренебречь зависимостью ФРЭЭ от баланса процессов образования и гибели электронов в плазме.
Кинетика и концентрации заряженных частиц.
Характер зависимости концентрации электронов ne от начального состава смеси HCl-Cl2 приp, ip = = const определяется доминирующим механизмом их гибели при данном давлении газа. Так, у нижней границы исследованного диапазона давлений, в условиях vdif > vda снижение (s) обусловливает уменьшение эффективного коэффициента диффузии электронов De (1.25 х 106-7.34 х 105 см2/с
0.2 0.4 0.6 0.8 Доля Cl2 в смеси HCl/Cl2
Рис. 3. Частоты процессов образования и гибели заряженных частиц при ip = 25 мА, p = 40 Па (сплошные кривые) и 200 Па (штриховые) в смесях HCI—CI2: 1 — ионизация, 2 — диссоциативное прилипание и ион-ионная рекомбинация, 3 — диффузионная гибель электронов и положительных ионов.
при 0—90% Cl2, p = 40 Па и ip = 25 мА — см. табл. 1) и час
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.